“氣凝膠”是半固體狀態(tài)的凝膠經(jīng)干燥、去除溶劑后的產(chǎn)物，外表呈固體狀，內(nèi)部含有眾多孔隙，充斥著空氣，因而密度極小。2013年3月，浙江大學(xué)的科學(xué)家們研制出了一種超輕材料，這種被稱(chēng)為“全碳?xì)饽z”的固態(tài)材料密度僅為0.16mg/cm3，是空氣密度的六分之一，也是迄今為止世界上最輕的材料。
“氣凝膠”是半固體狀態(tài)的凝膠經(jīng)干燥、去除溶劑后的產(chǎn)物，外表呈固體狀，內(nèi)部含有眾多孔隙，充斥著空氣，因而密度極小。
浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超教授的課題組將含有石墨烯和碳納米管兩種納米材料的水溶液在低溫環(huán)境下凍干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最輕材料”的紀(jì)錄。
此前的“世界紀(jì)錄保持者”是由德國(guó)科學(xué)家在2012年底制造的一種名為“石墨氣凝膠”的材料，密度為每立方厘米0.18毫克。這一研究成果已于2013年2月18日在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上，并被《自然》雜志在“研究要聞”欄目中重點(diǎn)配圖評(píng)論。
全碳?xì)饽z的構(gòu)造類(lèi)似于‘碳海綿’，哪怕將一個(gè)馬克杯大小的氣凝膠放在狗尾草上，纖細(xì)的草須也不會(huì)被壓彎。
雖然看上去“脆弱不堪”，但“全碳?xì)饽z”在結(jié)構(gòu)韌性方面卻十分出色，它可以在數(shù)千次被壓縮至原體積的20%之后迅速?gòu)?fù)原。此外，“全碳?xì)饽z”還是吸油能力最強(qiáng)的材料之一。
現(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸收自身質(zhì)量10倍左右的有機(jī)溶劑，而“全碳?xì)饽z”的吸收量可高達(dá)自身質(zhì)量的900倍。
據(jù)介紹，氣凝膠是入選吉尼斯世界紀(jì)錄的最輕的一類(lèi)物質(zhì)，因其內(nèi)部有很多孔隙，充斥著空氣，故而得名。
1931年，美國(guó)科學(xué)家用二氧化硅制得了最早的氣凝膠，外號(hào) “凝固的煙”。2011年，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)歐文分校和加州理工學(xué)院合作制備了一種鎳構(gòu)成的氣凝膠，密度為0.9毫克/立方厘米，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)最輕材料的紀(jì)錄。把這種材料放在蒲公英花朵上，柔軟的絨毛幾乎沒(méi)有變形——這張照片入選了《自然》雜志年度十大圖片，也給高超留下了深刻印象：能不能制備出一種材料，挑戰(zhàn)這個(gè)極限？
我國(guó)的石墨儲(chǔ)備非常豐富，占全世界的2/3?？茖W(xué)家一直在探索石墨高效利用的方法。“把石墨變成石墨烯（一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)），其價(jià)值可以上升數(shù)千倍?！备叱恼n題組經(jīng)過(guò)五六年的探索，制備出了一維的石墨烯纖維和二維的石墨烯薄膜。這次，他們打算把石墨烯做成三維多孔材料來(lái)沖擊這一紀(jì)錄。
制作簡(jiǎn)便
形狀、尺寸可任意調(diào)節(jié)，大規(guī)模制造成可能
在實(shí)驗(yàn)室，記者看到了一個(gè)個(gè)大小不等的“碳海綿”：它們大的如網(wǎng)球，小的如酒瓶塞。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無(wú)數(shù)個(gè)孔隙。
“就像體育場(chǎng)館等大型空間結(jié)構(gòu)，用鋼筋做支架，用高強(qiáng)度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強(qiáng)?！闭n題組博士生孫海燕說(shuō)，“在這里，碳納米管就是支架，石墨烯就是墻壁?！?/p>
在已報(bào)道的成果中，高超課題組制備的“碳海綿”仍是最輕紀(jì)錄保持者——可達(dá)到0.16毫克/立方厘米，低于氦氣的密度。相關(guān)論文2月18日在線發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。但課題組對(duì)申報(bào)吉尼斯世界紀(jì)錄興趣不大，“‘輕’并不是它最大的新意所在”。高超解釋?zhuān)核膬r(jià)值在于其簡(jiǎn)便的制備方法，以及材料所展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性能。
科學(xué)家介紹說(shuō)，氣凝膠的基本制備原理是除去凝膠中的溶劑，讓其保留完整的骨架。
在以往制備氣凝膠的案例中，科學(xué)家主要采用溶膠—凝膠法和模板導(dǎo)向法。前者可以批量合成，但是可控性差；后者能產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)，但依賴(lài)于模板的精細(xì)結(jié)構(gòu)和尺寸，難以大量制備。
高超課題組另辟蹊徑，探索出無(wú)模板冷凍干燥法：將溶解了石墨烯和碳納米管的水溶液在低溫下凍干，便獲得了“碳海綿”，并且可以任意調(diào)節(jié)形狀，令生產(chǎn)過(guò)程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。
“不需要模板，只與容器有關(guān)。容器多大，就可以制備多大，可以做到上千立方厘米，甚至更大?！备叱f(shuō)。
性能優(yōu)越
高彈性、強(qiáng)吸附，應(yīng)用前景廣闊
《自然》雜志點(diǎn)評(píng)的標(biāo)題是：《固體碳：彈性而輕盈》，認(rèn)為這一新生事物的性能令人驚喜。
據(jù)介紹，“碳海綿”具備高彈性，被壓縮80%后仍可恢復(fù)原狀。它對(duì)有機(jī)溶劑具有超快、超高的吸附力，是迄今已報(bào)道的吸油力最高的材料?，F(xiàn)有的吸油產(chǎn)品一般只能吸自身質(zhì)量10倍左右的液體，而“碳海綿”的吸收量是250倍左右，最高可達(dá)900倍，而且只吸油不吸水?！按笪竿酢背杂袡C(jī)物的速度極快：每克這樣的“碳海綿”每秒可以吸收68.8克有機(jī)物。這讓人想到用它來(lái)處理海上的漏油，“可以把它們?nèi)鲈诤Ｃ嫔?，就能把漏油迅速地吸收進(jìn)來(lái)，因?yàn)橛袕椥?，吸的油能夠被壓出?lái)回收利用，‘碳海綿’也可以重新使用?！笨蒲腥藛T表示。
目前，實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究。科研人員說(shuō)，“碳海綿”還可能成為理想的相變儲(chǔ)能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復(fù)合材料。不過(guò)，這一新生材料就如呱呱墜地的嬰兒，科學(xué)家還很難準(zhǔn)確預(yù)計(jì)其應(yīng)用領(lǐng)域與前景，還得依靠社會(huì)以及產(chǎn)業(yè)界的想象力，讓這個(gè)新材料走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。
全碳?xì)饽z將有望在海上漏油、凈水甚至凈化空氣等環(huán)境污染治理上發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的氣凝膠制作方式往往無(wú)法批量生產(chǎn)，但課題組新創(chuàng)的“低溫凍干法”令氣凝膠的生產(chǎn)過(guò)程更加便捷，也使這種超輕材料的大規(guī)模制造和應(yīng)用成為可能。
《自然》雜志已將這一研究成果放在“研究要聞”欄目，并重點(diǎn)配圖評(píng)論?！叭?xì)饽z”將有望在海上漏油、凈水甚至凈化空氣等環(huán)境污染治理上發(fā)揮重要作用。
2013年實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)這一材料的吸附性能進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用性研究，除了污染治理方面，“全碳?xì)饽z”還將能成為理想的儲(chǔ)能保溫、催化載體和吸音材料。
